Роль диэлектрика

Наиболее рациональный способ увеличения емкости конденсатора - это помещение подходящего диэлектрика, между эго обкладками. Рассмотрим это подробнее

Рис.5.

В нормальном состоянии валентные электроны любого диэлектрика обращаются вокруг атомного ядра по круговым орбитам (последние показаны символично на рис. 5а). При помещении диэлектрика в электрическое поле, оно действует на обращающиеся электроны и деформирует их орбиты. В результате этого молекулы диэлектрика превращаются в диполи, т.е. в частицы, которые на своих противоположных концах заряжаются разноименно (рис. 5б). Находящиеся внутри диэлектрика разноименные заряды взаимно нейтрализуются, а заряды на его двух противоположных сторонах остаются нескомпенсированными, т.е. их можно рассматривать как фиктивные (несвободные, связанные с веществом) заряды, расположенные на поверхности диэлектрика (рис. 5в). Это явление называется поляризацией диэлектрика. Чем больше фиктивных зарядов образуется на поверхности диэлектрика, тем более они поляризуются.

На рис. ба показан заряженный конденсатор, между обкладками которого есть вакуум (свободное пространство). Как уже нам известно, емкость такого конденсатора зависит от площади обкладок и расстояния между ними. Следует отметить, что здесь заряды на каждой из обкладок не расположены особенно плотно друг к другу. Это получается потому, что расстояние между двумя обкладками довольно большое и силы взаимного притяжения между зарядами не особенно велики. На рис. 66 между электродами такого же заряженного конденсатора помещен диэлектрик. Вследствие возникшей поляризации фиктивные заряды на поверхности диэлектрика оказываются очень близко к зарядам на обкладках, и поэтому силы взаимного притяжения более значительны. Таким образом, заряды на обкладках скапливаются гуще и освобождают место для других зарядов (рис. 6б), т.е. емкость конденсатора увеличивается.

Очевидно, чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем значительнее увеличивается емкость конденсатора.

В количественном отношении степень поляризации характеризуется величиной ε_r, которая называется относительной диэлектрической проницаемостью вещества. Для

различных диэлектриков эта величина различна (например, для стекла ε_r =3/12, для слюды ε_r =6/8, а для воздуха ε_r=1 и т.д.) и дается в справочниках. Большинство наиболее применяемых диэлектриков имеют ε_r в пределах от 1 до 20. Существует, однако, особая группа веществ, называемых сегнетоэлектриками, у которых поляризация чрезвычайно сильна и ε_r =50/100000. Сегнетоэлектрики используются для изготовления миниатюрней конденсаторов, обладающих относительно большой емкостью.

В заключении следует добавить, что диэлектрики, используемые для изготовления конденсаторов, должны обладать не только большим значением относительной диэлектрической проницаемости, но и удовлетворять следующим условиям:

а) иметь большую электрическую прочность, т.е. тонкий слой диэлектрика должны выдерживать значительные напряжения, чтобы не наступил пробой;

б) иметь не большие потери на высоких частотах. Когда между обкладками конденсатора действуют переменные напряжения, они вызывают циклическую переориентацию молекул диэлектрика, что, со своей стороны, приводит к его нагреву, а это является излишней потерей энергии. Хорошие диэлектрики на высоких частотах нагреваются сравнительно слабо. Таковы, например, полистирол, специальная керамика и т.д.

Дата добавления: 2017-02-01